一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法及系统技术方案

本发明专利技术给出了一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法及系统，包括在理想测试环境下分别设置多个测试声源位于不同方位角或俯仰角位置播放测试声源信号，将利用所述噪声传声器采集到的信号记为第一接收信号，利用离散傅里叶变换将所述第一接收信号和所述测试声源信号转换到频域，针对各个所述测试声源计算耳廓传导特性响应；在实际定位时，利用所述噪声传声器接收待测声源发出的信号，记为第二接收信号；最后利用离散傅里叶变换将所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应转换到频域，利用稀疏恢复算法进行声源方位估计。实现了单耳机声源定位，从而避免了传统的双耳声源定位方法需要双耳耳机麦克风采集导致的额外双耳耳机间通信、控制及硬件开销。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法及系统
本专利技术涉及声源定位
，尤其是一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法及系统。
技术介绍
对于无线耳机产品，声源定位可通过估计声源方位为耳机降噪算法提供方向指向信息、接近声预警等功能，对改善耳机降噪性能、提高用户体验具有重要的作用。目前耳机声源定位大多采用受生物启发的定位算法，如耳谱线索和种双耳线索:耳间时间差(interauraltimedifference，ITD)和耳间电平差；或直接利用与头相关脉冲响应。但是，上述算法均需使用2个麦克风来实现双耳声源定位功能，对于无线耳机产品而言意味着需要在双耳间采用无线方式传输定位所需信号、特征信息，造成额外的无线通信、功耗开销。具有独特外形的外耳耳廓是听觉器官的前沿部件，耳翼有定向接收作用,包括外耳道在内的耳腔,有共振、混响与缓冲作用。部分研究也指出了外耳对耳机形成的声负载,并测量了随频率的不同对耳机的输出性能的影响。对于入耳式耳机而言，以佩戴后外露于耳道出口位置的麦克风为例，考虑到耳廓不规则外形的对不同方向入射声具有不同的反射、混响等传导特性，本专利技术提出通过事先利用人工耳测量声信号不同方向入射的不同特性并存储，构造测量矩阵，将单耳声源方位估计问题转化为稀疏恢复问题，进而提出一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法及系统。通过本专利技术公开的技术方案可实现无线耳机单耳声源方位估计，从而可大大减少无线耳机产品的无线通信、功耗开销。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法及系统，以解决上文提到的现有技术的缺陷。在一个方面，本专利技术提出了一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法，该方法包括以下步骤：S1：将噪声传声器设置于单个的人工耳耳道出口位置，在理想测试环境下分别设置多个测试声源位于不同方位角或俯仰角位置播放测试声源信号，将利用所述噪声传声器采集到的信号记为第一接收信号，利用离散傅里叶变换将所述第一接收信号和所述测试声源信号转换到频域，基于所述第一接收信号和所述测试声源信号的频域关系针对各个所述测试声源计算耳廓传导特性响应；S2：在实际定位时，利用所述噪声传声器接收待测声源发出的信号，记为第二接收信号；以及S3：利用离散傅里叶变换将所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应转换到频域，基于所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应的频域关系利用稀疏恢复算法进行声源方位估计，获得所述待测声源的方位。以上方法针对当前无线耳机采用的声源定位算法普遍需要双耳机，从而造成额外的双耳机间无线通信、供电开销的问题，提出了充分利用耳廓独特形状对不同方位入射声的传导特性来实现单耳声源定位，从而显著降低无线耳机产品实现声源定位功能的系统开销。在具体的实施例中，所述噪声传声器的设置位置位于耳廓内并且位于耳道出口外侧。在具体的实施例中，所述噪声传声器通过一片音频编解码芯片与所述声源方位估计模块连接。在具体的实施例中，所述声源方位估计模块包括一片用于控制音频编解码芯片和麦克风的微处理器。在具体的实施例中，所述基于所述第一接收信号和所述测试声源信号的频域关系针对各个所述测试声源计算耳廓传导特性响应的具体步骤包括：根据所述第一接收信号和所述测试声源信号的频域关系X1(k)＝H(rs，k)S1(k)+W1(k)其中，X1(k)为频域的M帧所述第一接收信号的矢量，H(rs，k)为M帧所述第一接收信号对应的所述测试声源位置rs处的耳廓传导特性频域响应的矢量，W1(k)为M帧所述第一接收信号对应的频域噪声的矢量，S1(k)为所述测试声源信号频域；利用已知的X1(k)、W1(k)和S1(k)求得H(rs，k)，对所有所述测试声源的空间位置{r1，r2，...，rD}，进行上述运算，得到所有所述测试声源对应的耳廓传导特性频域响应矩阵D(k)＝{H(r1，k)，H(r2，k)，...，H(rD，k)}，并储存。在具体的实施例中，基于所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应的频域关系利用稀疏恢复算法进行声源方位估计具体包括：将所述耳廓传导特性频域响应矩阵D(k)作为字典，基于所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应的频域关系X2(k)＝H(rs，k)S2(k)+W2(k)对D(k)进行扩展，得到其中，X2(k)为频域的M帧所述第二接收信号的矢量，H(rs，k)为M帧所述第一接收信号对应的所述测试声源位置rs处的耳廓传导特性频域响应的矢量，W2(k)为M帧所述第二接收信号对应的频域噪声的矢量，S2(k)为所述待测声源的信号频域，为字典扩展下的所述待测声源的信号频域；基于压缩感知算法，将所述耳廓传导特性频域响应矩阵D(k)作为观测矩阵，使用稀疏恢复算法对公式进行求解，得到根据中的非零元素及其位置，获得所述位置对应的待测声源的方位。由于目标声源的个数远远小于空间位置集个数D，扩展的频域上的待测声源信号矢量在空间位置集下具有稀疏性，当声源为单声源时，矢量中的非0元素个数只有1个。将冗余的房间频域响应D(k)看作压缩感知算法中的观测矩阵，则在观测矩阵满足有限等距(RestrictedlsometryProperty，RIP)的条件下，能够高概率无损重构且声源位置和中的非0位置一一对应。考虑到人耳廓特性的独特形状，不同方位角、俯仰角位置声源对应的耳廓传导特性频域响应矩阵D(k)中各元素呈随机分布特性，因而满足有限等距条件，可以采用稀疏恢复算法进行公式的稀疏求解。在具体的实施例中，所述根据中的非零元素及其位置，获得所述位置对应的待测声源的方位包括：设置一个阈值η，并设置离散傅里叶变换的长度与帧长L相同；选取所述中能量较高的个频点进行叠加，获得取中最大元素所对应的位置为所述待测声源信号的空间位置。综合利用多个频点的信息，使得获得的声源位置更为精确。根据本专利技术的第二方面，提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被计算机处理器执行时实施上述方法。根据本专利技术的第三方面，提出一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位系统，该系统包括测试声源、噪声传声器和声源方位估计模块：所述噪声传声器被设置于单个的人工耳耳道出口位置，所述测试声源分别被设置位于不同方位角或俯仰角位置播放声源测试信号，所述噪声传声器被配置为在获取耳廓传导特性阶段将采集到的信号记为第一接收信号；所述声源方位估计模块被配置为在获取耳廓传导特性阶段利用离散傅里叶变换将所述第一接收信号和所述测试声源信号转换到频域，基于所述第一接收信号和所述测试声源信号的频域关系对各所述测试声源计算耳廓传导特性响应；以及所述噪声传声器被设置于在实际定位阶段，接收待测声源发出的信号，记为第二接收信号；所述声源方位估计模块还配置在实际定位阶段用于利用离散傅里叶变换将所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应转换到频域，基于所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应的频域关系利用稀疏恢复算法进行声源方位估计，获得所述待测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：将噪声传声器设置于单个的人工耳耳道出口位置，在理想测试环境下分别设置多个测试声源位于不同方位角或俯仰角位置播放测试声源信号，将利用所述噪声传声器采集到的信号记为第一接收信号，利用离散傅里叶变换将所述第一接收信号和所述测试声源信号转换到频域，基于所述第一接收信号和所述测试声源信号的频域关系针对各个所述测试声源计算耳廓传导特性响应；/nS2：在实际定位时，利用所述噪声传声器接收待测声源发出的信号，记为第二接收信号；以及/nS3：利用离散傅里叶变换将所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应转换到频域，基于所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应的频域关系利用稀疏恢复算法进行声源方位估计，获得所述待测声源的方位。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于耳廓传导特性的单耳声源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将噪声传声器设置于单个的人工耳耳道出口位置，在理想测试环境下分别设置多个测试声源位于不同方位角或俯仰角位置播放测试声源信号，将利用所述噪声传声器采集到的信号记为第一接收信号，利用离散傅里叶变换将所述第一接收信号和所述测试声源信号转换到频域，基于所述第一接收信号和所述测试声源信号的频域关系针对各个所述测试声源计算耳廓传导特性响应；
S2：在实际定位时，利用所述噪声传声器接收待测声源发出的信号，记为第二接收信号；以及
S3：利用离散傅里叶变换将所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应转换到频域，基于所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应的频域关系利用稀疏恢复算法进行声源方位估计，获得所述待测声源的方位。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述噪声传声器的设置位置位于耳廓内并且位于耳道出口外侧。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述噪声传声器通过一片音频编解码芯片与所述声源方位估计模块连接。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声源方位估计模块包括一片用于控制音频编解码芯片和麦克风的微处理器。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一接收信号和所述测试声源信号的频域关系针对各个所述测试声源计算耳廓传导特性响应的具体步骤包括：
根据所述第一接收信号和所述测试声源信号的频域关系
X1(k)＝H(rs，k)S1(k)+W1(k)
其中，X1(k)为频域的M帧所述第一接收信号的矢量，H(rs，k)为M帧所述第一接收信号对应的所述测试声源位置rs处的耳廓传导特性频域响应的矢量，W1(k)为M帧所述第一接收信号对应的频域噪声的矢量，S1(k)为所述测试声源信号频域；
利用已知的X1(k)、W1(k)和S1(k)求得H(rs，k)，对所有所述测试声源的空间位置{r1，r2，...，rD}，进行上述运算，得到所有所述测试声源对应的耳廓传导特性频域响应矩阵D(k)＝{H(r1，k)，H(r2，k)，...，H(rD，k)}，并储存。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述第二接收信号和所述耳廓传导特性响应的频域关系利用稀疏恢复算法进行声源方位估计具体包括：
将所述耳廓...

【专利技术属性】
技术研发人员：童峰，毛连华，郭秋涵，吴燕艺，傅荣杰，
申请(专利权)人：厦门大学，厦门市派美特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35